KR20150072969A

KR20150072969A - 연료전지용 열교환기

Info

Publication number: KR20150072969A
Application number: KR1020130160708A
Authority: KR
Inventors: 김병준
Original assignee: 포스코에너지 주식회사
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-30

Abstract

본 발명은 연료전지용 열교환기에 관한 것이다. 이러한 연료전지용 열교환기는, 연료전지스택모듈로부터 발생한 생성물의 열을 이용하여 열교환하는 연료전지용 열교환기에 있어서, 열교환부; 상기 생성물을 상기 열교환부로 공급하는 공급관과, 상기 생성물을 상기 열교환부로부터 배출하는 배출관을 갖는 고온부; 및 연료를 상기 열교환부로 공급하는 복수의 유입관과, 상기 각 유입관에 마련되어 상기 열교환부로 유입되는 상기 연료의 유량을 조절하는 제1 유량조절밸브, 상기 열교환부로부터 상기 연료를 배출하는 유출관을 갖는 저온부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 열교환기{Heat Exchanger for Fuel Cell System}

본 발명은 연료전지용 열교환기에 관한 것으로, 특히 연료전지스택으로부터 생성되는 생성물의 유량의 변화시 열교환부로 유입되는 연료의 유량을 조절하여 열교환 효율을 향상시키도록 한 연료전지용 열교환기에 관한 것이다.

연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 연료전지에는 예컨대 용융탄산염 연료전지, 인산염 연료전지, 고체전해질 연료전지 등 다양한 종류가 있으며, 다양한 분야에서 개발되어 사용되고 있다.

도1은 종래 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도1에 도시된 바와 같이, 종래 연료 전지 시스템은 연료를 가열하는 열교환기(1), 상기 열교환기(1)로부터 가열된 연료를 개질하는 개질기(2), 상기 개질기(1)에서 개질된 연료를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지스택모듈(3)을 포함한다.

상기 연료는 상기 열교환기(1)에서 열교환되어 예열된다. 상기 연료전지스택모듈(3)에서 생성된 생성물은 상기 열교환기(1)로 유입되어 상기 연료를 예열하는데 사용된다.

상기 개질기(2)는 상기 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하기 위해 마련되며, 연료의 적절한 개질은 연료 전지 시스템의 효율성에 있어서 상당히 중요한 문제이며, 적절한 개질 분위기를 유지하고 제어하는 것이 대단히 중요하다.

상기 연료전지스택모듈(3)은 개질된 연료가 산화-환원 반응할 때 고온의 생성물을 생성하기 위해 구비되고, 상기 생성물은 전력생산에 이용된다. 도1을 참조하면, 2개의 연료전지스택모듈(3)을 구비하는 구조를 도시하고 있다. 2개의 연료전지스택모듈(3) 중 1개의 연료전지스택모듈이 정지할 경우, 나머지 1개의 연료전지스택모듈(3)이 운전되어 연료 전지 시스템이 완전히 정지하는 것을 예방한다.

이러한 경우, 상기 열교환기(1)는 2개의 연료전지스택모듈(3)에 최적화된 상태로 설계되어 있으며, 연료전지스택모듈(3)에서 생성된 생성물이 유입되는 유량과 연료의 유량에 매우 민감하게 반응한다. 구체적으로, 2개의 연료전지스택모듈(3) 중에 어느 하나가 운전을 정지하고 나머지 하나만으로 운전을 수행할 때, 연료 전지 시스템에서의 출력을 2개의 연료전지스택모듈(3)을 운전할 때와 비교하여 절반에 훨씬 못 미치는 효율을 보인다. 따라서, 개질을 위해 연료의 예열이 원활하게 수행될 수 없으며, 전체적으로 연료 전지 시스템의 효율 저하 및 금전적 손실을 야기하는 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 제2013-0022901호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 연료전지스택으로부터 생성되는 생성물의 유량의 변화시 열교환부로 유입되는 연료의 유량을 조절하여 열교환 효율을 향상시키도록 한 연료전지용 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 열교환기는, 연료전지스택모듈로부터 발생한 생성물의 열을 이용하여 열교환하는 연료전지용 열교환기에 있어서, 열교환부; 상기 생성물을 상기 열교환부로 공급하는 공급관과, 상기 생성물을 상기 열교환부로부터 배출하는 배출관을 갖는 고온부; 및 연료를 상기 열교환부로 공급하는 복수의 유입관과, 상기 각 유입관에 마련되어 상기 열교환부로 유입되는 상기 연료의 유량을 조절하는 제1 유량조절밸브, 상기 열교환부로부터 상기 연료를 배출하는 유출관을 갖는 저온부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유출관에 마련되어, 상기 열교환부로부터 배출되는 상기 연료의 유량을 조절하는 제2 유량조절밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배출관에 마련되어, 상기 열교환부로부터 배출되는 상기 생성물의 유량을 조절하는 제3 유량조절밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유출관을 통하여 배출되는 상기 연료의 온도를 감지하는 온도감지센서를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 유량조절밸브 또는 제2 유량조절밸브를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 온도감지센서에 의해 센싱된 상기 연료의 온도에 따라서 상기 제1 유량조절밸브 또는 상기 제2 유량조절밸브를 제어하여 상기 열교환부로 유입되거나 상기 열교환부로부터 배출되는 상기 연료의 유량을 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공급관을 통해 유입되는 상기 생성물의 유량을 센싱하는 유량감지센서; 상기 유량감지센서에 의해 센싱된 상기 생성물의 유량에 따라서 상기 제1 유량조절밸브를 통해 유입되는 상기 연료를 유량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지용 열교환기는, 연료전지스택으로부터 생성되는 생성물의 유량의 변화시 열교환부로 유입되는 연료의 유량을 조절하여 열교환량이 적정 수준으로 유지될 수 있도록 한다.

열교환량이 적정 수준으로 유지되므로, 연료 전지 시스템의 전체적인 출력을 안정적으로 유지할 수 있으며, 연료전지스택모듈에서 생성되는 생성물의 유량 변화에 민감하게 대응하여 시스템을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

도1은 종래 연료 전지 시스템의 개략도,
도2는 본 발명에 따른 연료전지용 열교환기의 개략도,
도3은 도2의 요부에 관한 블럭도이다.

먼저 본 발명은 연료 전지 시스템에 사용되는 열교환기에 관한 것으로, 연료가 개질기로 유입되기 전에 상기 연료를 예열하는 열교환기에 관한 것으로, 연료전지스택모듈에서 발생한 고온 생성물의 열을 이용하여 연료를 예열하는데 사용된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 연료전지용 열교환기의 개략도이고, 도3은 도2의 요부에 관한 블럭도이다.

도2를 참조하면, 본 발명 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는, 열교환부(10), 고온부(20), 및 저온부(30)를 포함한다.

상기 열교환부(10)는 연료전지스택모듈(90)로부터 발생한 생성물의 열을 이용하여 열교환을 수행하는 부분으로, 상기 열교환부(10)에는 후술하는 고온부(20)와 저온부(30)가 연결된다.

상기 고온부(20)는 공급관(21)과 배출관(22)을 포함한다. 상기 고온부(20)는 상기 연료전지스택모듈(90)에서 생성된 생성물이 상기 열교환기로 유입 및 배출되는 구성이다.

상기 공급관(21)은 연료가 상기 연료전지스택모듈(90)로 유입된 후에 산화-환원 반응을 통해 발생한 생성물이 상기 열교환부(10)로 유입되는 관로이다. 상기 공급관(21)을 통해서 상기 열교환부(10)로 유입되는 생성물의 유량은 상기 연료전지스택모듈(90)에서 반응하는 연료의 유량에 비례한다.

상기 배출관(22)은 상기 생성물을 상기 열교환부(10)로부터 배출하기 위해 마련된다. 상기 열교환부(10)에서 상기 생성물의 열이 연료로 열 교환된 후에, 상기 생성물은 상기 배출관(22)을 통해 상기 열교환부(10)로부터 배출된다.

상기 저온부(30)는 유입관(31)과 유출관(33)을 포함한다. 상기 저온부(30)는 연료가 상기 열교환부(10)로 유입 및 배출되는 구성이다.

상기 유입관(31)은 연료를 상기 열교환부(10)로 공급하기 위해 마련되며, 본 실시예에 따르면 상기 유입관(31)은 복수 개 마련된다. 상기 연료는 탄화수소 계열의 연료일 수 있으며, 물이 혼합된 형태일 수 있다.

상기 제1 유량조절밸브(32)는 상기 각 유입관(31)에 마련되어 상기 열교환부(10)로 유입되는 상기 연료의 유량을 조절하기 위해 마련된다. 상기 제1 유량조절밸브(32)는 유입관(31)마다 마련되어 각 유입관(31)을 통해 유입되는 연료의 유량이 조절된다.

상기 제1 유량조절밸브(32)를 통해 각 유입관(31)을 통해 흐르는 연료의 유량을 조절함으로써, 상기 연료전지스택모듈(90)에서 생성되는 고온의 생성물의 양에 연동하여 열교환부(10)로 유입되는 연료의 유량이 조절된다.

상기 유출관(33)은 상기 열교환부(10)로부터 상기 연료를 배출하기 위해 마련된다. 상기 연료는 상기 열교환부(10)에서 고온의 생성물로부터 열을 흡수하여 예열된 상태로 상기 유출관(33)을 통해서 배출된다.

도2에 도시된 바와 같이, 상기 유출관(33)의 일단부에는 개질기(100)가 연결되며, 상기 연료는 예열된 상태로 개질기(100)로 유입된다. 연료의 개질을 위한 장치 또는 구성은 본 발명과는 무관하므로, 개질기(100)에 관한 구체적인 설명은 생략한다.

본 실시예에 따르면, 제2 유량조절밸브(40), 제3 유량조절밸브(50), 온도감지센서(60), 제어부(70), 및 유량감지센서(80)를 포함한다.

상기 제2 유량조절밸브(40)는 상기 유출관(33)에 마련되어 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 연료의 유량을 조절한다. 상기 제2 유량조절밸브(40)에 의해 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 연료의 유량이 조절됨으로써, 상기 열교환부(10) 내에서 체류하는 상기 연료의 시간이 조절된다.

예컨대, 상기 제2 유량조절밸브(40)에 의해 배출되는 상기 연료의 유량을 감소시키면, 상기 연료가 상기 열교환부(10) 내에서 체류하는 시간이 길어져 상기 열교환부(10) 내에서 열교환량이 증대된다.

상기 제3 유량조절밸브(50)는 상기 배출관(22)에 마련되어 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 생성물의 유량을 조절한다. 상기 제3 유량조절밸브(50)에 의해 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 생성물의 유량이 조절됨으로써, 상기 열교환부(10) 내에서 체류하는 상기 생성물의 체류 시간이 조절된다.

예컨대, 상기 제3 유량조절밸브(50)에 의해 배출되는 상기 생성물의 유량을 감소시킨 경우, 상기 생성물이 상기 열교환 내에서 체류하는 시간이 길어져 상기 생성물과 상기 연료가 열교환하는 시간을 길게 확보하게 되며, 결과적으로 열교환량이 증대된다.

상기 온도감지센서(60)는, 상기 유출관(33)을 통하여 배출되는 상기 연료의 온도를 감지하기 위해서 마련된다. 상기 유출관(33)을 통해서 배출되는 상기 연료는 소정의 목표치 온도로 예열될 필요가 있으며, 목표치 온도를 초과하거나 미달하게 예열된 경우 후술하는 제어부(70)에 의해 열교환량을 조절한다.

도3에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(70)는 상기 제1 유량조절밸브(32) 또는 상기 제2 유량조절밸브(40)를 제어한다. 구체적으로, 상기 제어부(70)는 상기 온도감지센서(60)에 의해 센싱된 상기 연료의 온도에 따라서 상기 제1 유량조절밸브(32) 또는 상기 제2 유량조절밸브(40)를 제어하여 상기 연료의 유량을 조절한다.

예컨대, 상기 연료가 상기 목표치 온도에 미달하는 온도로 예열된 경우, 열교환량을 증가시킬 필요가 있다. 이때, 상기 제어부(70)는 상기 제2 유량조절밸브(40)를 제어하여 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 연료의 양이 작아지도록 제어하여, 열교환부(10) 내에서 열교환량을 증가시킨다.

반대로, 상기 연료가 상기 목표치 온도를 초과하는 온도로 예열된 경우, 상기 연료와 상기 생성물의 열교환량을 줄여도 무방하므로, 상기 제1 유량조절밸브(32)를 제어하여 상기 열교환부(10)로 상기 연료의 유입량을 늘리고, 한편 상기 제2 유량조절밸브(40)를 제어하여 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 연료의 유량을 늘림으로써 연료의 예열 온도를 적정한 수준으로 유지할 수 있다.

상기 유량감지센서(80)는 상기 공급관(21)을 통해 유입되는 상기 생성물의 유량을 센싱하기 위해 마련된다. 또한, 상기 제어부(70)는 상기 유량감지센서(80)에 의해 센싱된 상기 생성물의 유량에 따라서 상기 제1 유량조절밸브(32)를 제어하여 상기 열교환부(10)로 유입되는 상기 연료의 유량을 조절한다.

예컨대, 연료전지스택모듈(90)이 2개 병합하여 설계된 연료 전지 시스템에 있어서, 하나의 연료전지스택모듈(90)이 정지하여 나머지 하나의 연료전지스택모듈(90)이 운전되는 경우, 상기 연료전지스택모듈(90)로부터 생성되는 생성물의 유량은 2개의 연료전지스택모듈(90)에 의해 생성되는 생성물의 유량보다 작으며, 이러한 경우 열교환부(10)에서 생성물과 열교환되는 연료의 유입량을 조절해야 효과적인 열교환을 수행할 수 있다.

따라서, 열교환부(10)로 유입되는 생성물의 유량이 상기 유량감지센서(80)에 의해 센싱되고, 상기 제어부(70)는 상기 유량감지센서(80)에 의해 센싱된 생성물의 유량 변화에 기초하여 상기 열교환부(10)로 유입되는 연료의 유량을 조절하도록 한다.

이하, 상기 구성에 따른 연료전지용 열교환기의 작용 및 효과를 구체적으로 설명한다.

본 발명 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는 연료전지스택모듈(90)로부터 생성되는 생성물의 유량 변화에 연동하여 상기 열교환부(10)로 유입되는 연료의 유량을 조절하여 열교환이 적절하게 이루어질 수 있도록 한다.

상기 열교환부(10)로 유입되는 연료는 복수의 유입관(31)을 통해서 유입된다. 상기 열교환부(10)는 상기 복수의 유입관(31)을 통해서 유입되는 최대 유량을 고려하여 최적화되어 설계된 것으로, 상기 고온부(20)를 통해 유입 및 배출되는 생성물의 유량이 변동되는 경우, 상기 저온부(30)를 통해 유입 및 배출되는 연료의 유량을 함께 조절한다.

특히, 복수의 유입관(31)이 열교환부(10)에 설치될 때, 최적의 열교환 효율을 달성할 수 있도록 각 유입관(31)을 설계 및 배치하므로, 어느 한 유입관(31)에 연료가 흐르지 않는 경우에 최적의 열교환 효율을 달성하지 못하는 결과를 초래한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 각 유입관(31)을 통해 흐르는 연료는 상기 생성물의 유량 변동에 연동되어 증감되고, 상기 각 유입관(31)을 통해 연료가 전혀 흐르지 않는 경우를 배제하여 열교환 효율을 효과적으로 유지될 수 있도록 한다.

상기 생성물의 유량 증감에 따라 상기 열교환부(10)로 유입되는 유량이 상기 제1 유량조절밸브(32)를 통해 조절된다. 상기 제1 유량조절밸브(32)는 상기 제어부(70)에 의해 자동으로 컨트롤될 수 있다. 물론, 상기 제1 유량조절밸브(32)가 제어부(70)에 의해 자동으로 제어되는 것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 제1 유량조절밸브(32)는 수동으로 조작될 수 있다.

한편, 본 발명 실시예에 따르면, 열교환부(10)를 경유하여 배출되는 연료의 온도에 따라서, 상기 연료 또는 생성물이 상기 열교환부(10) 내에서 체류하는 시간을 조절한다. 구체적으로, 제어부(70)는 상기 유출관(33)에 설치된 온도감지센서(60)에 의해 센싱된 연료의 온도를 고려하여, 열교환량의 증감을 결정한다. 상술한 바와 같이, 상기 제1 유량조절밸브(32) 또는 제2 유량조절밸브(40)를 통하여 유입 및 배출되는 연료의 유량을 조절하여 열교환부(10) 내부에 체류하는 연료의 시간을 제어하여 열교환량을 조절한다.

또한, 상기 제어부(70)는 상기 제3 유량조절밸브(50)를 제어하여 상기 열교환부(10)로 배출되는 상기 생성물의 유량을 제어하여, 상기 생성물이 상기 열교환부(10) 내에 체류하는 시간을 조절하여 열교환량을 조절한다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(70)는 상기 제1,2,3 유량조절밸브(32,40,50)를 모두 제어하여 연료 및 생성물이 열교환부(10) 내부로 유입되거나 배출되는 유량 및 열교환부(10) 내에 체류하는 시간을 제어할 수 있다.

이때, 상기 제어부(70)는 상기 제1,2,3 유량조절밸브(32,40,50)를 선택적으로 제어할 수 있다. 상기 제어부가 제1,2,3 유량조절밸브(32,40,50)를 선택적으로 제어한다고 함은, 상기 제1,2,3 유량조절밸브(32,40,50) 중 하나 또는 둘 이상을 제어함을 의미한다.

물론, 상기 제1,2,3 유량조절밸브(32,40,50)는 상기 제어부(70)에 의해 자동으로 제어되는 것으로 한정되지 않는다. 예컨대, 작업자가 수작업으로 밸브의 개도를 조절하는 것도 가능하다.

이처럼, 본 발명 실시예에 따른 연료전지용 열교환기는 연료전지스택모듈(90)에서 생성되는 생성물의 유량 변동에 따라서 열교환부(10)로 유입되는 연료의 유량을 조절하여 열교환부(10)의 열교환 효율을 항상 일정하게 유지시킬 수 있으며, 따라서 연료 전지 시스템을 안정적으로 유지할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 연료 전지 시스템의 노후화로 인하여 성능이 저하된 경우, 열교환부(10)로 유입 및 배출되는 연료의 유량을 조절하여 연료 전지 시스템을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10... 열교환부 20.. 고온부
21... 공급관 22... 배출관
30... 저온부 31... 유입관
32... 제1 유량조절밸브 33... 유출관
40... 제2 유량조절밸브 50... 제3 유량조절밸브
60... 온도감지센서 70... 제어부
80... 유량감지센서 90... 연료전지스택모듈
100... 개질기

Claims

연료전지스택모듈(90)로부터 발생한 생성물의 열을 이용하여 열교환하는 연료전지용 열교환기에 있어서,
열교환부(10);
상기 생성물을 상기 열교환부(10)로 공급하는 공급관(21)과, 상기 생성물을 상기 열교환부(10)로부터 배출하는 배출관(22)을 갖는 고온부(20); 및
연료를 상기 열교환부(10)로 공급하는 복수의 유입관(31)과, 상기 각 유입관(31)에 마련되어 상기 열교환부(10)로 유입되는 상기 연료의 유량을 조절하는 제1 유량조절밸브(32), 상기 열교환부(10)로부터 상기 연료를 배출하는 유출관(33)을 갖는 저온부(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 유출관(33)에 마련되어, 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 연료의 유량을 조절하는 제2 유량조절밸브(40)를 포함하는 것을 특징으로 연료전지용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 배출관(22)에 마련되어, 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 생성물의 유량을 조절하는 제3 유량조절밸브(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 유출관(33)을 통하여 배출되는 상기 연료의 온도를 감지하는 온도감지센서(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 제1 유량조절밸브(32) 또는 제2 유량조절밸브(40)를 제어하는 제어부(70)를 포함하며,
상기 제어부(70)는 상기 온도감지센서(60)에 의해 센싱된 상기 연료의 온도에 따라서 상기 제1 유량조절밸브(32) 또는 상기 제2 유량조절밸브(40)를 제어하여 상기 열교환부(10)로 유입되거나 상기 열교환부(10)로부터 배출되는 상기 연료의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 공급관(21)을 통해 유입되는 상기 생성물의 유량을 센싱하는 유량감지센서(80);
상기 유량감지센서(80)에 의해 센싱된 상기 생성물의 유량에 따라서 상기 제1 유량조절밸브(32)를 제어하여 상기 열교환부(10)로 유입되는 상기 연료를 유량을 조절하는 제어부(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열교환기.